基于有限元方法的柴油机活塞热分析.pdf

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1、研究与分析2012年第4期(总第120期)·机械研究与应用·基于有限元方法的柴油机活塞热分析解现龙，张保成(中北大学机械工程与自动化学院，山西太原030051)摘要：介绍运用有限元方法对柴油机机活塞进行热分析的方法。具体针对某型号柴油机，分析其活塞稳态温度场和热变形。分析结果表明，活塞最高温度出现在活塞头部，为377．22℃；活塞轮廓的径向变形最大值为0．451mm，也发生在活塞头部。并对活塞热态纵向型线进行拟合，为活塞冷态纵向型线的设计提供参考依据。关键词：柴油机；活塞；热分析；有限元方法中图分类号：TK422文献标识码：A文章编号：100

2、7—4414(2012)04—0010—02ThermalanalysisofdieselenginepistonbasedonfinitedementmethodXieXian—long．ZhangBao—cheng(Schoolofmechanicalengineeringandautomation，NorthuniversityofChina，TaiyuanShanxi030051，China)Abstract：Thermalanalysisofdieselenginepistonusingfiniteelementmethodisde

3、scribed．Specifically，acertaindieselen—sinepistonsteady-statetemperaturefielddistributionandthermaldeformationareanalyzed．Asresultsshow，thehighesttem·peratureis377．22~C，whichappearsinthepistonhead．Themaximumradialdeformationofthepistonprofileis0．451mm，whichalsooccursinthepis

4、tonhead．Thepistonverticalprofileinthermalstateisfitted，whichcanprovideabasisforthede-signofpistonverticalprofileincoldstate．Keywords：dieselengine；piston；thermalanalysis；finiteelementmethod1引言‘一。^．；：活塞是往复活塞式内燃机的关键零部件之一，其工作情况直接关系着内燃机的工作可靠性和经济性。}：＼活塞在工作过程中受到分布不均的热载荷，会产生热q。—变形。

5、活塞热变形不仅是导致窜气、机油耗损过大等蘩

6、现象的重要原因，还会对活塞动力学行为产生影响。／＼＼因此，正确对活塞进行热分析，对活塞设计有重要意曲轴转角()义。有限元方法(FiniteElementMethod，FEM)的发图1某型柴油机在2200r／min转速下的示功图展以及相应软件的普及应用，为活塞热变形研究工作的开展提供了条件⋯。4有限元计算2活塞温度场理论4．1实体模型建立根据热负荷的性质，发动机热负荷大致可分为三因活塞内部未设有冷却油道，使得活塞具有对称类：稳定热负荷、低频热负荷和高频热负荷。研究表性，所以为提高求解效率，取四分之一活

7、塞模型用于明，对于活塞一类的机件，其所受的热负荷可仅计其计算。在Pro／E软件中建立实体模型，并导人AN—稳态热负荷【2J。因此，在进行活塞温度场分析时，稳SYS软件中，结果如图2所示。定热负荷是要考虑的主要问题。因而，本文旨在分析活塞的稳态温度场。3研究对象及相关参数以某型柴油机活塞为研究对象，其缸径为132mm，高133．8mm。燃烧室形状为【t)型，材料为铝合金，材料弹性模量71GPa，泊松比0．31，导热系数为124w／(m·K)，热膨胀系数为2．41×10K～。图l图2活塞实体模型图3活塞有限元模型为柴油机在2200r／min转速下

8、的实测示功图。收稿日期：2012-07-23作者简介：解现龙(1988一)，男，山东临沐人，硕士，研究方向：内燃机振动与噪声控制。·10·研究与分析2012年第4期(总第120期)·杌械研究与应用·出：压力开始比较平稳，然后有一个下降，最后趋于稳时基本上没有气液的混合；在工况二下，两进口压力定。分析数据得：压力最大值为0．308MPa，最小值相差0．053MPa，此时的气液混合情况明显好于第一为0．290MPa，平均值为0．298MPa。进液口压力波种工况。因此，此喷射器只有在进液口和进气口压差动值为6．04％，大于2％。较小的情况下才能更好

9、的完成气液混合，而在给定条件下，此喷射器不能完成气一液混合。(4)验证了喷射器结构的不合理会导致气液混合不理想。所以，修改喷射器的结构能够改善气液混合效果，从而达到